一种混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统及方法

本发明属于激光，具体涉及一种混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统及方法。

背景技术：

1、光纤激光器由于集成度高，易于维护，散热好，光束质量好，放大增益高等优点，在激光器领域备受关注。而高功率大能量飞秒激光器作为精密加工的一种全新手段，由于其加工的热效应小，加工后的表面完整度高，无微裂纹、重铸层等加工缺陷，在航空航天领域展现出了巨大的应用前景。但是受到非线性效应、热畸变以及自发辐射放大、增益窄化等效应的影响，对输出功率大于100w、输出能量大于100μj以上的光纤飞秒放大系统，依然面临较大的挑战。

2、在高功率大能量放大方面，为了获得高增益放大输出，一般需要较长的增益光纤才能获得高功率的放大输出，但是随着放大能量的提升，光纤长度过大时，就会造成放大系统非线性积累加强，造成压缩后的脉冲畸变，脉冲底座增大，降低了系统的峰值功率。同时，随着放大功率的增大，热效应、热退偏、器件的峰值功率损伤、平均功率损伤等成为了影响高功率放大系统输出稳定的重要因素。

3、而光纤固体混合式放大系统，由于传统晶体棒封装的固体激光放大器单通增益小，晶体直径又较大，在高功率泵浦过程中，热效应严重，影响了系统的稳定性，同时热畸变也会造成光束质量恶化。由于放大增益低，一般传统的固体放大器会采用多通以及级联的方式，实现百瓦级的输出，造成结构复杂。而级联放大过程中，晶体对信号激光的吸收和再放大，也会造成更加严重的增益窄化效应，不利于最终压缩获得窄脉冲输出，增益窄化严重的话，系统无法保证飞秒量级的脉冲宽度输出。

4、现有的高功率大能量飞秒光纤放大系统中，主放大通过采用大模场石英光纤，由于光纤模场直径受限，很难实现高能量输出，且为了获得高增益放大输出，需要较长的光纤，这样造成了系统的非线性积累强，输出脉冲底座大，脉冲宽度较大。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有高功率大能量飞秒光纤放大系统，在高功率飞秒输出情况下，存在光束质量差、输出能量低，且系统集成复杂度高的问题，而提供了一种混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统及方法，利用硅酸盐玻璃光纤放大器构成预放大系统，级联一级单通结构的单晶光纤作为主放大器，实现高功率大能量飞秒输出。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统，其特殊之处在于：包括基于硅酸盐玻璃光纤放大器的全光纤预放大及与其连接的二级放大单元；

4、所述二级放大单元包括依次设置在全光纤预放大输出光路上的第一透镜、第一自组隔离组件、单晶光纤以及第一双色镜；

5、所述二级放大单元还包括泵浦ld以及依次设置在泵浦ld输出光路上的第三透镜、第二透镜以及第二双色镜；

6、所述全光纤预放大的输出光经第一透镜准直后入射至第一自组隔离组件，经第一自组隔离组件进行偏振态调整后入射至单晶光纤；所述泵浦ld输出的泵浦光依次经过第三透镜和第二透镜泵浦耦合后，聚焦后入射至第二双色镜和第一双色镜进行泵浦，再入射至单晶光纤，对单晶光纤进行泵浦，放大信号光，并通过第一双色镜反射输出放大的信号光；

7、所述第一双色镜反射的信号光光路上依次设有第四透镜、第二自组隔离组件、第四高反镜、压缩器组件和提升镜；所述压缩器组件包括第一光栅和第二光栅；

8、所述第一双色镜反射的信号光入射至第四透镜准直，准直后入射至第二自组隔离组件进行偏振态调整，调整后的偏振光入射至第一光栅和第二光栅，经第一光栅和第二光栅衍射后，入射至提升镜降低光高，而后反射至第二光栅和第一光栅，衍射透射后入射至第四高反镜反射，得到放大压缩后飞秒脉冲输出；

9、所述第一自组隔离组件包括沿光路依次设置的第一半波片、第一偏振分光棱镜和第一四分之一波片；所述第二自组隔离组件包括沿光路依次设置的第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二半波片。

10、进一步地，所述第一光栅和第二光栅平行设置。

11、进一步地，还包括设置于第一半波片和第一偏振分光棱镜之间的第一高反镜、第一四分之一波片和单晶光纤之间的第二高反镜、第一双色镜反射光路上的第三高反镜，用于折转光路；

12、所述第一高反镜和第二高反镜垂直设置。

13、进一步地，所述单晶光纤入射端设有水冷光阑，用于吸收单晶光纤未完全吸收而透射的泵浦光；

14、所述第四高反镜的反射光路上设有用于优化脉冲输出光束质量的小孔光阑。

15、进一步地，所述第一光栅和第二光栅两者之间的直线距离为1.8m，压缩效率为80％，压缩后输出功率最高110w；

16、所述第一光栅的尺寸为41mm*30mm*6.36mm，第二光栅的尺寸为130mm*30mm*6.35mm，可以避免切光；

17、所述单晶光纤为长度40mm，直径1mm的yb:yag晶体，采用水冷结构封装，单晶光纤与全光纤预放大之间的光路距离为540mm，晶体内信号光斑大小保持在400μm；

18、所述泵浦ld为光纤耦合输出半导体激光器，其输出波长为940nm，芯径为135μm，数值孔径为0.22，最大输出功率为200w。

19、进一步地，所述第二透镜的焦距为100mm，用于保证ld泵浦激光汇聚打入单晶光纤，焦点位于单晶光纤内部5mm；

20、所述第三透镜的焦距为40mm，用于将泵浦ld输出的ld激光近似准直；

21、所述第一双色镜和第二双色镜均为对940nm高透，透过率大于96％，对1030nm高反，反射率大于99.5％。

22、进一步地，所述第一透镜安装在二维透镜调整架上，通过微调二维透镜调整架，保证放大过程中反馈回全光纤预放大的光强度最小。

23、本发明还提供了一种混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大方法，基于上述的混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，包括以下步骤：

24、1)、启动全光纤预放大，调整第一透镜的位置，利用ccd探测器测量单晶光纤入射以及输出激光的光斑大小满足放大要求，在光斑大小满足放大要求的位置固定安装第一透镜，调节使得全光纤预放大输出的小功率激光束信号光从第一透镜中心透射；

25、2)、逐步增加全光纤预放大中泵浦电流，测量输出激光在不同功率下的放大功率，微调第一透镜，使得全光纤预放大中光电探测模块监测端的反馈信号光最弱；

26、3)、旋转第一半波片使得通过第一偏振分光棱镜的激光束功率最大；

27、4)、在第一四分之一波片后加入辅助偏振分光棱镜，旋转第一四分之一波片使得辅助偏振分光棱镜的透射光和反射光功率相等，固定第一四分之一波片并移除辅助偏振分光棱镜；

28、5)、调节入射信号光的方向，使得信号光共轴入射至单晶光纤，利用ccd探测器测量保证穿过单晶光纤的光斑呈单模能量分布；

29、6)、开启泵浦ld，使初始低功率泵浦光打入单晶光纤的泵浦端，调节第二透镜，使得经第一双色镜反射后信号光的功率优化到最大；逐渐增加泵浦功率，使得单晶光纤输出的信号光功率达到130w以上；

30、7)、旋转第二四分之一波片，使得第二偏振分光棱镜后的输出功率最大，旋转第二半波片使得进入第一光栅的偏振注入最佳，达到衍射效率最高；

31、8)、调节第一光栅角度，使得衍射角度最佳，达到衍射效率最高，利用ccd探测器测量压缩后的信号光光斑，优化第二光栅角度，使得光斑达到最佳圆度；

32、9)、利用提升镜降低信号光的光高，反射至第二光栅和第一光栅，衍射透射后入射至第四高反镜，导出得到放大压缩后飞秒脉冲。

33、进一步地，步骤1)中，所述全光纤预放大输出激光束的功率为500mw；

34、所述单晶光纤与第一透镜之间的光路距离为540mm，单晶光纤入射以及输出激光的光斑为400μm；

35、步骤6)中，所述泵浦ld输出的泵浦光初始低功率为1-2w；

36、步骤6)中，所述逐渐增加泵浦功率是指使得泵浦ld输出的泵浦光功率为150-200w。

37、进一步地，步骤9)中，所述提升镜降低光束的高度为10mm。

38、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

39、1、本发明提供的混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统，利用硅酸盐玻璃光纤放大器构成预放大系统，级联一级单通结构的单晶光纤作为主放大器，组合后的放大器在mhz百瓦以上的高功率输出情况下，具有独特的优势。前端硅酸盐玻璃光纤放大器可以输出高功率的超短脉冲且光束质量高，输出光谱宽度大，主放大为一级简单的单通放大器，在大信号注入情况下放大，放大倍数小，增益窄化小，利于系统实现超短脉冲输出，同时后端yb：yag单晶光纤放大器，放大的效率优于传统晶体棒，需要的泵浦功率低，表面体积比大，散热好，有效的保证了高功率输出情况下的光束质量。

40、2、本发明提供的混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统和方法，光路系统的稳定性以及光束质量提升，一方面是热效应优化，主要是器件的选型，硅酸盐和单晶光纤组合、放弃使用基于旋光器的隔离器，防止旋光晶体热效应对光束质量的畸变，自组隔离器，采用偏振分光棱镜加1/4波片的独立器件的简易组合，消除了旋光器的热透镜效应，提高了光束质量。采用尽量少的透镜，以及单通的放大结构，使得光路简单、稳定可靠；采用光阑空间滤波，获得100w以上的高功率下的高光束质量(m2＜1.3)输出。

41、3、本发明提供的混合式高功率大能量飞秒啁啾脉冲放大系统具有放大输出功率高，结构紧凑，输出光束质量高，非线性积累小的特点，特别适合工业化集成，作为工业化飞秒激光器，应用于飞秒精密微加工应用领域。